내충격성(impact property), 인성(toughness), 충격시험, 샤르피시험, 아이조드시험, 기공의 영향

 

내충격성, 인성이란?

 

1. 개요

 

1) 내충격성 정의

재료가 충격에 대해 견디는 성질.
외부에서 고속으로 충격력을 가하여 파괴시킨 뒤(충격시험) 그에 소요된 에너지를 측정하여 평가한다.

충격하중에서 재료 특성을 충격성질 (impact property)라하고, 이는 재료의 강인함, 인성 (toughness)를 나타내는 지표
일반적으로 인장강도가 큰 재료는 인성이 작고, 연성이 큰 재료는 높음 

S-S 커브에서 그래프 아래 면적이 인성인데, 이는 시편이 파괴되기까지 받은 총 에너지를 의미한다 
배관응력해석, 압력용기해석시에도 운전/시운전 조전에서 배관이 유체에 받는 에너지가 인성보다 크면 파단이 발생하므로 한계, 안전계수 등과 함께 활용됨

예를 들어, 바퀴를 설계했는데 바퀴가 외부에 부딫히면 쉽게 깨진다고 했을때, 이는 인성이 부족해서 취성 파괴가 발생한다고 보면 된다 (알루미늄 다이캐스팅)

인성의 의미

네이버 지식인, 다이캐스팅 제품을 내충격성을 요하는 부품에 사용하면 안되는 이유

문제 예시

이와 같이, 동등한 정하중으로 치환해서 설계하는 방법도 존재한다 

 

2) 노치효과 (Notch effect)

기계부품은, 예리한 모서리가 있으면 국부적인 집중응력 (평균 응력의 10배)가 생겨 파괴되기 쉬운데, 이런 예리한 모서리를 노치라 부르고 이때문에 쉽게 파괴가 발생하는 현상을 노치효과 (notch effect)라고 함 

따라서 예리한 모서리는 피하고 곡률 (R값)을 줘서 응력집중을 막아야함 
응력집중은 제품의 취성파괴를 야기한다 

• 노치효과는 재료에 따라 발생하는 것이 아닌 크기, 형상, 힘이 걸리는 방향 등에 따라 달라짐 
• 노치효과의 감도(민감성)은 연성 재료는 작으나, 고경도 합금강, 취성재료 등에는 크다 (민감하다) 
• 노치 반경이 작게되면 노치 감도는 증가한다 
• 부품의 크기가 크게 되면 노치 감도는 증가한다 

안전율 (Safety Factor), 안전율 선정, 안전계수, 파괴이론

 

2. 충격시험

 

1) 충격시험 개요 

충격시험의 대표적인 방법은 샤르피시험(Charpy impact test)와 아이조드 시험 (izod impact test)가 있음

 

2) 샤르피 충격 시험 (charpy impact test) 

일정한 노치 (notch)를 가공한 재료를 고정시킨 후 햄머를 사용하여 충격적인 힘으로 파단시킴으로써, 파단에 소요된 에너지를 구하는 시험법. 

- 인성의 척도는 흡수에너지 (absorbed energy)로 나타내며 단위는 줄(J)이다 
- 흡수에너지를 시험편의 단면적으로 나눈 값을 충격치 (impact value)라 하며 단위는 (J/m2)이다 

샤르피 충격시험 개요, HRD

샤르피 충격시험과 아이조드 충격시험의 차이, 네이버 블로그

 

3) 아이조드 충격 시험 (izod  impact test)

아이조드 충격시험, 한기대 온라인평생교육원

 

 

3. 내충격성을 고려한 재료 선정, 설계

 

1) 내충격성의 영향 요인들

기본적인 원칙을 먼저 말해보자면 1) 충격치가 높아야하고 2) 힘과 동시에 연신율과 단면 수축율이 커야함 

① 경도는 같아도 기계적 성질(인성)은 달라질 수 있음
(0.3% 강과 0.5% 강의 경도가 같더라도 0.3% 강의 충격치는 2배에 달함 

② 탄소강, 합금강 기준 탄소량이 낮을수록 내충격성이 우수함
(단면 수축률과 연신율이 우수해짐)

③ 경도나 인장강도가 낮을수록 충격치가 증가한다
경도가 높으면 취성이 크고 연질이면 연성이 큼
인성은 힘 x 변형능력으로 재료의 내부에너지를 나타내며, 내충격성이 요구되는 부품은 인성이 커야함 

④ 동일 경도나 인장강도라 해도, 탄소강에 비해 Cr-Mo강이나 Ni-Cr-Mo강 등 Mo 첨가시 내충격성이 우수하다

⑤ 편석은 내충격성을 저하시킴
(단련의 방향성에 크게 영향을 미치고 조직의 균일성을 떨어뜨림)
: 고속도공구강은 탄화물이 석출되며 내마모성이나 고온강도를 확보하는데, 잔류 탄화물의 분포상태가 내충격성을 크게 좌우하기 때문에, 모든 원소가 고용화처리가 될 수 있을만큼 고속도강 담금질 온도의 선정을 하는 것이 굉장히 중요하다 
 편석이 심하면 수명을 크게 저하시키는데, 금형강인 STD61의 경우 50,000-60,000타의 수명을 가지고 있지만, 100개 이내에서 조기파손되는 경우가 있다

⑥ 불순물의 영향 (P, N, S) 
인과 질소는 300도 부근에서 템퍼링시 저온 템퍼링 취성을 야기한다 
(보통 템퍼링시 저온 취성 온도범위를 피해 템퍼링한다 - 550도 이상)
따라서, 충격치를 화곱하기 위해서는 상대적으로 불순물이 적은 킬드 강재를 사용하는 것이 바람직하다 
또한, 1차, 2차 템퍼링 취성도 주의해야하는데 Mo이나 W을 소량 첨가하면 방지할 수 있음 

⑦ 오스테나이트 결정립이 미세할수록 충격치가 높게 나타난다
결정입도를 측정하는 기준인 ASTM결정입도 기준, 7번의 것은 4번의 것보다 충격치가 2.5배 높다 
내충격성이 필요하면, 결정입도가 미세한 강을 사용해야하며, 이는 고온이 될수록 결정립 성장, 특정 온도가 되면 급격히 조대화되는 오스테나이트 결정립의 특성상 열처리 온도를 주의해야하며 Nb, V, Zr, Ti, Al 등 결정립 조대화 온도를 높이는 원소들을 투입해서 조대화를 방지해야한다 

⑧ 퀜칭 및 템퍼링 여부, 불완전 퀜칭 여부 
퀜칭 후 템퍼링한 것이 충격치가 크며, 완전하게 퀜칭하여 100% 마르텐사이트 조직이 형성된 재료가 템퍼링되었을때 충격치가 큼
압연한 그대로보다, 동일 탄소량 기준 퀜칭 후 템퍼링한것이 경도, 강도, 충격치, 연신율, 단면수축률 모두 우수하다 
일반적으로 내충격성을 향상시키기 위해서는 완전 퀜칭 후 템퍼링하는 것이 좋으며, HRC45-50으로 사용하는 경우에는 오스템퍼링 (austempering, 베이나이트 조직 형성)이 유효함 
템퍼링 후 내충격성은 대략의 템퍼링 경도에 좌우됨 (불완전한 퀜칭은 인성을 저하시킨다) 

퀜칭의 완전도에 따른 샤르피값의 차이, 내부 조직이 얼마나 균일하게 템퍼드마르텐사이트가 형성되느냐가 중요, HRD

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

ASTM 경정입도 차이에 따른 충격치의 차이, HRD

편석, HRD

 

주조 결함 정리, 주물 결함, 주조 결함 검사 시험, 비파괴검사, 소착, 미스런, 주조 유동성, 용탕

주조 / 용접 비파괴 검사 정리 / 라멜라균열 (라멜라조직, 로드조직)

철강재료의 선정요령, 선정 방법

 

 

4. 인성에 관한 고찰

 

1) 연성 취성 천이 온도 (DBTT)

인성이 작다는 것은 쉽게 깨진다는 것을 의미하고, 이 성질을 취성(Brittle)이라 함 
인성(toughness)는 특히 저온에서 사용하는 구조물의 중요 특성이 되는데, 이는 연성 취성 변이온도가 저온에서 발생하기 때문 

일반적으로 강은 고온에서 충격치가 높으나, 100도 이하에서 점차 감소하여 -30도 이하에서는 극히 낮게되는데, 해당 온도를 연성-취성 천이온도라고 함.

치성 파괴의 특징을 나타내는 파면의 특징은 강줄기무늬나, 갈매기 모양의 무늬가 보인다 

온도가 낮아질수록 연성파괴의 흔적이 보이지 않음, HRD

연성 취성 천이 온도

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

 

2) 파괴의 형식 및 예측하지 못한 파괴의 발생, 기공의 영향 

크게 결정입내파괴와 결정입계를 따라서 파괴가 발생하는 결정입계파괴가 있음 
이상적인 강도는 설계 하중에 비해 훨씬 높지만, 알수 없는 파단이 발생하는 경우가 종종 있다. 실제로 Ni등의 이론적 파단 강도는 1100MPa이나 실측치가 0.58MPa로 약 1900배 차이가 나는 경우가 있다 

이들은, 금속 재료 내부에 미소한 겷함 (전위, 비금속개재물, 마이크로기공, 결정입계, 탄화물과 같은 기지와의 부정합 등으로 인해 나타나는 현상이다 

2024.06.27 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 기공의 영향, 기포(porosity), 기공(blow hole), 미세공(pin hole), 기공의 위험성, 기공 대책, 주조 결함

기공의 성장에 의한 입내 파괴, HRD

금속재료 결정입내의 비금속 개재물이나, 탄화물 등과 같은 기지와의 부정합면에서 발생한 기공의 성장으로 파괴가 발생할 수 있음 
이는 가스로 인한 기공 또한 동일한 메커니즘으로 파괴가 발생할 수 있다는 것을 의미 

 

3) 제조 공정에 따른 특성 (Al기준) 

제품 구분	제조 비용	금형 가격	조직 내부 품질	기계적 강도	형상 제약
압연(판재)	우수	해당없음	우수	웃	제약 있음
압출	중간	우수	우수	우수	제약 있음
주조	나쁨	중간	우수	우수	중간
단조	중간	중간	중간	중간	우수
다이캐스팅	우수	나쁨	나쁨	나쁨	우수

 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

항온열처리(Isothermal Heattreatment), 오스템퍼링, 마퀜칭, 마템퍼링, 항온뜨임, 항온불림, 항온풀림

 

압연가공(rolling), 압연 결함, 압연기 구분, 압하율, 압연 조건, 압연영향요소

단조 가공 (forging), 단조 종류, 냉간단조, 열간단조, 형단조, 자유단조, 단조개념, 배럴링현상

압출가공 (Extrusion), 압출설계, 압출 특징, 정수압압출, 충격압출, 연속압출(Continuous extrusion)